第三節(jié)換熱器計(jì)算方法

換熱器課程設(shè)計(jì)第三節(jié)換熱器計(jì)算方法換熱器：在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置稱為換熱器。

在化工、石油、動(dòng)力、制冷、食品等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器，且它們是上述行業(yè)的通用設(shè)備，占有十分重要的地位。1、熱力設(shè)計(jì)根據(jù)使用單位提出的基本要求，合理地選擇運(yùn)行參數(shù)，并進(jìn)行傳熱計(jì)算。計(jì)算出總傳熱系數(shù)、傳熱面積2、流動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算壓降，為換熱器的輔助設(shè)備提供選擇參數(shù)3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)傳熱面積的大小計(jì)算其主要零部件的尺寸4、強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)力計(jì)算?？紤]換熱器的受力情況，特別是在高溫高壓下?lián)Q熱器的受壓部件應(yīng)按照國(guó)家壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。管殼式換熱器結(jié)構(gòu)管箱（封頭）殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)（包括管束等）單管程固定管板換熱器接管殼體管束管板封頭（端蓋、管箱）折流擋板管程殼程①不潔凈和易結(jié)垢的液體宜在管內(nèi)-清洗比較方便②腐蝕性流體宜在管內(nèi)-避免殼體和管子同時(shí)腐蝕，便于清洗③壓強(qiáng)高的流體宜在管內(nèi)-免殼體受壓，節(jié)省殼程金屬消耗量④飽和蒸汽宜走管間-便于及時(shí)排除冷凝液⑤有毒流體宜走管內(nèi)，使泄露機(jī)會(huì)較少⑥

被冷卻的流體宜走管間-可利用外殼向外的散熱作用⑦流量小或粘度大的液體，宜走管間-提高對(duì)流傳熱系數(shù)⑧若兩流體的溫差較大，對(duì)流傳熱系數(shù)較大者宜走管間-減少熱應(yīng)力一、流體流徑的選擇-冷、熱流體走管程或殼程上述各點(diǎn)若不能同時(shí)兼顧，應(yīng)視具體情況抓主要矛盾。先流體的壓強(qiáng)、防腐蝕和清洗等要求，再校核對(duì)流傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降。增加流速對(duì)流傳熱系數(shù)↑，污垢熱阻↓→總傳熱系數(shù)↑→傳熱面積↓流動(dòng)阻力↑和動(dòng)力消耗↑還需考慮結(jié)構(gòu)上：高流速→管子數(shù)目↓→較長(zhǎng)管子或增加程數(shù)管子太長(zhǎng)不易清洗，且管長(zhǎng)都有一定標(biāo)準(zhǔn)；程數(shù)增加使平均溫度差下降二、流體流速的選擇一定傳熱面積常用的流速范圍不同粘度液體的流速

流體種類

流速管程殼程一般流體0.5~30.2~1.5易結(jié)垢流體>1>0.5氣體5~303~15液體粘度最大流速>15000.61500~5000.75500~1001.1100~351.535~11.8<12.4三、流體兩端溫度的確定

若冷、熱流體的溫度都由工藝條件所規(guī)定，就不存在確定兩端溫度的問(wèn)題。若其中一個(gè)流體已知進(jìn)口溫度，則出口溫度應(yīng)由設(shè)計(jì)者來(lái)確定。例如：用冷水冷卻某熱流體，冷卻水進(jìn)口溫度可根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁貤l件作出估計(jì)，出口溫度需根據(jù)經(jīng)濟(jì)衡算來(lái)決定。為節(jié)省水量，出口溫度提高，則傳熱面積要大些；為減少傳熱面積，出口溫度降低，則要增加水量。一般，設(shè)計(jì)時(shí)冷卻水兩端溫度差可取為5~10℃。1.管徑應(yīng)盡可能使流速高些，但一般不應(yīng)超過(guò)前面的流速范圍目前列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中管徑具有：Φ25mm×2.5mm、Φ19mm×2mm四、管子的規(guī)格和排列方法小直徑管子單位傳熱面積的金屬消耗量小，傳熱系數(shù)稍高，但容易結(jié)垢，不易清洗，用于較清潔的流體；大直徑管子用于粘性大或易結(jié)垢的流體。2.管長(zhǎng)以清洗方便及合理使用管材為原則合理的換熱器管長(zhǎng)：1.5m、2m、3m、6m等

管子長(zhǎng)度與公稱直徑之比，一般為4～6，對(duì)直徑小的換熱器可取大些。3.管子排列方法正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正方形等管板強(qiáng)度高；流體走短路機(jī)會(huì)少，且擾動(dòng)較大，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高；相同殼程內(nèi)排更多管子。便于清洗，適于殼程流體易結(jié)垢的場(chǎng)合；但對(duì)流傳熱系數(shù)較正三角形的低。介于正三角形和正方形之間。4.管間距t

管間距:兩相鄰換熱管中心的距離。其值的確定需要考慮以下幾個(gè)因素：①管板強(qiáng)度；②清洗管子外表面時(shí)所需要的空隙；③換熱管在管板上的固定方法。通常，脹管法取t=（1.3~1.5）d0，且相鄰兩管外壁間距不應(yīng)小于6mm，即t≥6+d0

焊接法取t=1.25d0。五、管程和殼程數(shù)的確定

當(dāng)流體的流量較小或傳熱面積較大而需管數(shù)很多時(shí)，有時(shí)會(huì)使管內(nèi)流速較低，對(duì)流系數(shù)較小。為提高管內(nèi)流速，可采用多管程。

但管程數(shù)過(guò)多，管程流動(dòng)阻力加大，增加動(dòng)力費(fèi)用；多程會(huì)使平均溫度差下降；多程隔板使管板上可利用面積減少

標(biāo)準(zhǔn)中管程數(shù)有：1、2、4和6程，多程時(shí)應(yīng)使每程管子數(shù)大致相等。管程數(shù)m計(jì)算：u——管程內(nèi)流體的適宜流速；u’——管程內(nèi)流體的實(shí)際流體。1.管程數(shù)當(dāng)溫差校正系數(shù)低于0.8，可采用殼方多程。

如：在殼體內(nèi)安裝一塊與管束平行的隔板，流體在殼體內(nèi)流經(jīng)兩次，稱為兩殼程。

但由于隔板在制造、安裝和檢修等方面都有困難，故一般不采用殼方多程的換熱器，而是幾個(gè)換熱器串聯(lián)使用2.殼程數(shù)六、折流擋板形式：作用：①提高殼程內(nèi)流體的流速；②加強(qiáng)湍流強(qiáng)度；③提高傳熱效率；④支撐換熱管。圓缺形圓盤(pán)形最常負(fù)用的搜為圓缺震形擋趕板，切去倡的弓形出高度約為五外殼斃內(nèi)徑柱的10躍%~陜40舟%，一銷(xiāo)般取20鞋%~鋸25提%。板間狐距過(guò)還小，渴不便確于制楊造和看維修中，阻肆力較訊大；板間館距過(guò)塘大，溉流體腐難于誤垂直系地流憲過(guò)管古束，專使對(duì)下流傳蛛熱系愉數(shù)下足降。兩相顫鄰擋免板的摧距離臉（板間抽距）h為外術(shù)殼內(nèi)擔(dān)徑D的（0.恥2~炎1）倍夜。系列櫻標(biāo)準(zhǔn)駕中，曠采用向的h（mm）值正為：固定熱管板范式：15皮0,返30謀0,全60駱0；浮頭練式：15福0,款20絨0,走30后0,姿48糊0和60侄0.七、調(diào)外殼旬直徑聞的確臂定要求泡：殼體緩內(nèi)徑瘋等于杏或稍攏大于和管板寨的直蓄徑。單程芬管殼饞體內(nèi)顯徑：式中:t—管心來(lái)距，m；nc—橫過(guò)蔽管束煤中心袖線的灰管數(shù)使；b’—管束少中心硬線上農(nóng)最外落層管源的中牙心至柴殼體媽內(nèi)壁排的距鑄離.——管板利用率多管喪程殼裕體內(nèi)首徑：N——排列歉管子席數(shù)目章；t—管心叉距正三跳角形西排列——冊(cè)2管程豈：0.歌7-理0.換85；>4管程為：0.諷6-駕0.狂8正方曠形排北列——維2管程戲：0.改55牌-0意.7宵;>4管程殲：0.華45泥-0懶.6跡5計(jì)算他得到券的殼賠內(nèi)徑坊應(yīng)圓晃整。殼體榨標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)尺寸殼體外徑/mm325400500600700800900100011001200最小壁厚/mm8101214八、像主要途附件1.封頭方形襲：用捏于直端徑小統(tǒng)的殼盼體（<4帆00陜mm）；圓形銀：用蓬于大徐直徑港的殼坊體。2.緩沖挺擋板為防焦止殼息程流蟻體進(jìn)柏入換壯熱器曉時(shí)對(duì)絞管束悅的沖羅擊，塊可在最進(jìn)料享管口復(fù)裝設(shè)釣緩沖滲擋板3.導(dǎo)流釀筒殼程轟流體撒的進(jìn)釣、出飲口與分管板慌間存象在一洲段流謙體不迫能流寸動(dòng)的蛛空間竊（死殖角）社，為狠了提音高傳估熱效殿果，米常在稀管束懼外增后設(shè)導(dǎo)批流筒牌。4.放氣劑孔、遲排液雀孔殼體姿上常褲安有嚴(yán)放氣盞孔和嫁排液壞孔，小排出成不冷岸凝氣沉體和譯冷凝狀液等猾。5.接管換熱憤器中鍛流體寧進(jìn)、虹出口芬的接侵管直嶄徑按領(lǐng)下式僚計(jì)算泡，即Vs—賽—流體啊的體砍積流加量，u——流體覽在接未管中賺的流腐速流速u(mài)的經(jīng)皂驗(yàn)值于可取券為：對(duì)液渾體u=1牢.5期~2紅m/示s；對(duì)草蒸氣u=2創(chuàng)0~誓50笑m/諒s；對(duì)氣宏體u=（0.棒15缸~0粥.2）p/ρ(p為壓展強(qiáng)，kP璃a；ρ為氣朽體密肆度)。九、饒材料易選用材料販應(yīng)根毒據(jù)操嘆作壓狐力、盲溫度聞及流光體的膏腐蝕意性等酬來(lái)選靈用。目前盯常用育的金覺(jué)屬材對(duì)料有濕：碳寶鋼、農(nóng)不銹徑鋼、康低合懶金鋼微、銅偵和鋁翅等。非金助屬材爸料有紐奉：石寒墨、和聚四利氟乙睜烯和鎖玻璃磁等。十、桃流體銷(xiāo)流動(dòng)雷阻力撓（壓挖強(qiáng)降庫(kù)）的忘計(jì)算1.管程支流動(dòng)層阻力總阻缸力等采于各云程直傭管阻霉力、調(diào)回彎陳阻力屆及進(jìn)女、出膛口之腫和。寬一般筋進(jìn)、意出口套阻力素可忽至略不鋼計(jì)，魯管程爽總阻竿力的恨計(jì)算秒式為棟：2.殼程請(qǐng)流動(dòng)蛇阻力用埃過(guò)索法球計(jì)算伯殼程假壓強(qiáng)漸降，贊即液體虛流經(jīng)則換熱魯器的北壓強(qiáng)籌降為10臟~1謙00練kP搭a，氣惱體為1~炸10奏kP粉a。設(shè)計(jì)怎步驟1、試啊算并安初選摘設(shè)備上規(guī)格①確定叔流體即在換頃熱器圓中流究動(dòng)途出徑。②農(nóng)根據(jù)漂傳熱亡任務(wù)候計(jì)算用熱負(fù)輩荷Q。③票確定睛流體鳥(niǎo)在換伏熱器鳴兩端林的溫鞠度，陰選擇抽列管伏換熱勸器的元形式黨；計(jì)臉?biāo)愣ㄊ詼匕ざ?，研并確那定在肝定性搶溫度愚下的惰流體姐物性稿。④成計(jì)算供平均鞭溫差插，并角根據(jù)夕溫度仿差校均正系滴數(shù)不繞應(yīng)小鴉于0.避8的原胃則，紛決定佛殼程姥數(shù)。⑤胖依據(jù)畜總傳尾熱系扇數(shù)的撒經(jīng)驗(yàn)?zāi)χ捣吨聡r或按往生產(chǎn)偉實(shí)際交情況號(hào)，選圾定總豎傳熱珍系數(shù)K值。⑥昂由傳儲(chǔ)熱速跪率方賺程，農(nóng)初步慰算出欲傳熱顧面積搖，并抹確定索換熱肺器的懸基本鹿尺寸逮。2、計(jì)蜜算管蝴程、箱殼程簽壓強(qiáng)趣降根據(jù)愁初定煤的設(shè)題備規(guī)方格，蠅計(jì)算豬管程產(chǎn)、殼互程流每體的伙流速纏和壓已強(qiáng)降會(huì)。驗(yàn)爪算結(jié)錯(cuò)果是存否滿抄足工偉藝要厚求。鈴若壓綿強(qiáng)降跌不符畝合要與求，菠要調(diào)概整流醬速，判再確撫定管嚷程數(shù)閑或折景流板口間距喂，或舊選擇螺另一翼規(guī)格測(cè)的換陜熱器鋒，重獻(xiàn)新計(jì)經(jīng)算壓綠強(qiáng)降凈直至舅滿足粱要求留。3、核框算總刊傳熱勻系數(shù)計(jì)算購(gòu)管程描、殼敬程對(duì)袋流傳剃熱系巖數(shù)，棗確定意污垢僻熱阻熱，再染計(jì)算拉總傳亮熱系俱數(shù)K’，比親較K的初鈴設(shè)值水和計(jì)謹(jǐn)算值觸，若K’浙/K欣=1高.1火5~場(chǎng)1.跡25，則杰初選誘的換陣熱器其合適瞇。否血?jiǎng)t需警另設(shè)K值，寨重復(fù)圓以上笑計(jì)算朗步驟交。設(shè)計(jì)吳任務(wù)食書(shū)將60苦00婦kg疫/h的植返物油蔑從14嫂0℃冷卻笑到40玩℃，井部水進(jìn)絮、出您口溫估度分如別為20薄℃和40鍋℃。要麥求換攏熱器盆的管考程和鈔殼程奧壓強(qiáng)便降均密不大艇于35夕kP覺(jué)a。實(shí)例工藝攀設(shè)計(jì)評(píng)計(jì)算一、枯確定啞設(shè)計(jì)際方案1．選螞擇換及熱器奸的類饅型兩流放體的喇變化宋情況杏：熱上流體釋進(jìn)口愁溫度14盼0℃，出考口溫剖度40℃；冷流斬體進(jìn)觀口溫歉度20℃，出漫口溫頁(yè)度40℃?？紤]純冷熱泉流體沿間溫世差大饞于50℃，初瓣步確鑼定選授用浮江頭式豬換熱載器。2．流注程安揉排與植猾物油賤相比液，井饞水易文于結(jié)漫垢，菌如果晌其流酸速太孔小，翼會(huì)加貢快污昌垢增雹長(zhǎng)速樸度使初換熱炭器傳份熱速槐率下帳降。劉植物造油被警冷卻尊，走即殼程院便于咐散熱遺。因蓋此，蠟冷卻溉水走翅管程碗，植隊(duì)物油池走殼右程。二、震確定聲物性盞數(shù)據(jù)對(duì)于禿粘度稻低的翠流體狗，其吼定性衣溫度您可取音流體專進(jìn)出氣口溫定度的網(wǎng)平均服值。棗所以給，殼程煎流體楊的定雀性溫語(yǔ)度為棒：管程閘流體緣瑞的定惱性溫川度為乏：定性飼溫度炊下，毫管程愉流體(井水)、殼場(chǎng)程流授體（疊植物辰油）盡有關(guān)批物性飽參數(shù)精由《主要雞物性映參數(shù)談表》得出惡。2．物古性參稠數(shù)1．定嚇性溫閘度主要?dú)埼镄圆眳?shù)慮表介質(zhì)性質(zhì)密度kg/m3比熱kJ//(kg·℃)粘度Pa·s熱導(dǎo)率W/(m·℃)植物油熱流體9502.2610.742×10-30.172井水冷流體995.74.1740.801×10-3

0.618三、貞估算快傳熱漸面積1.熱流若量2.平均娃傳熱鎖溫差吐先房誠(chéng)按照鴿逆流志計(jì)算藏，得3.傳熱墻面積由于腐殼程良植物療油的扁壓力絕較高該，故差可選斥取較兼大的K值。痕假設(shè)K=路39打5W畢/忠(m2·℃)則估倚算的樂(lè)傳熱億面積滔為：考慮暫到外注界因珍素的培影響購(gòu)，根片據(jù)經(jīng)謙驗(yàn)取添實(shí)際恥傳熱呼面積研為估吳算值閑的1.襲15倍，釘則實(shí)訂際傳偽熱面伏積為購(gòu)：4.井水積用量四、冰工藝朋結(jié)構(gòu)榮尺寸1.管徑登和管漸內(nèi)流珠速選用Φ2賢5×撓2.虧5較高英級(jí)冷桿拔傳抽熱管渴（碳俱鋼）刃，取魔管內(nèi)嚷流速u(mài)1=0餅.7犁5m臉/s。2.管程元數(shù)和查傳熱軟管數(shù)依據(jù)牲傳熱惠管內(nèi)財(cái)徑和博流速渾確定龜單程柏傳熱下管數(shù)晃：按單臟程管色設(shè)計(jì)句，傳堤熱管分過(guò)長(zhǎng)博，宜控采用程多管次程結(jié)神構(gòu)。告根據(jù)仆本設(shè)行計(jì)實(shí)膽際情揀況，逐采用粗標(biāo)準(zhǔn)廉管設(shè)牽計(jì)，枝現(xiàn)取貓傳熱版管長(zhǎng)L=濫8m，則橋該換緊熱器偏的管霞程數(shù)組為：傳熱甘管總籠根數(shù)屬：n=者20痰×2億=4幫0（根淘）按單憲程管族計(jì)算危，所業(yè)需的鉤傳熱便管長(zhǎng)佩度為愛(ài)：3.平均筒傳熱贈(zèng)溫差豎校正飽及殼解程數(shù)平均疊溫差聚校正棍系數(shù)摸：按單傘殼程且，雙移管程抓結(jié)構(gòu)姿，查嫁圖得皇：平均擇傳熱擴(kuò)溫差由于劑平均肺傳熱姨溫差欠校正良系數(shù)天大于0.肥8，同斤時(shí)殼極程流爐體流皆量較禿大，遞故取靠單殼骨程合從適。4.傳熱抬管排范列和口分程允方法采用蹦正方育形錯(cuò)勇列。尾取管頭心距t=財(cái)1.叼25窄d0，則t=柿1.辭25鳥(niǎo)×2虹5=淋31帶.2黑5≈溜32哭mm隔板駁中心蝦到離墻其最簡(jiǎn)近一序排管客中心浙距離吹：S=普t/案2+界6=罵32壟/2量+6欠=2皮2m礦m各程擇相鄰猾管的圣管心冒距為鉗：22熱×2鄭=4咐4m癢m5.殼體抹內(nèi)徑采用諷多管蘿程結(jié)擴(kuò)構(gòu)，仁取管丸板利級(jí)用率η=0非.8叫5，則杯殼體癢內(nèi)徑逢為：圓整重可取D=最30后0m爽m6.折流悠板采用背弓形愚折流爛板,取弓妹形之緣瑞流板陷圓缺均高度熔為殼棚體內(nèi)沫徑的25層%，則結(jié)切去殲的圓印缺高催度為纏：H=腥0.膠25遇×3津00肅=7完5m取折卡流板沒(méi)間距h=叢0.美3D，則h=守0.常3×水30到0=盒90標(biāo)mm故可互取h=蒸10濱0m瓶m折流花板數(shù)叛目：7.其他毒附件拉桿炎數(shù)量解與直挽徑按膏表選干取，享本換普熱器崗殼體府內(nèi)徑警為30扶0m房誠(chéng)m，故晉：拉數(shù)桿直裁徑為Ф1員2，拉睬桿數(shù)硬量不尸得少澇于4。8.接管殼程靈流體幸進(jìn)出肯口接聞管：取接騾管內(nèi)徐流體稍流速饞為u1=2賽m/扮s，則輝接管分內(nèi)徑擦為管程遭流體疊進(jìn)出善口接篇管：取接狂管內(nèi)姿液體痛流速u(mài)2=2鄭.5嘗m/臂